劉 菁，趙 旭，馮 剛，劉 飛

（中國(guó)航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司，北京102200）

0 引言

O 形密封圈是1 種廣泛使用的密封元器件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由橡膠制成，而橡膠屬于高分子材料，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，不同膠料牌號(hào)的O 形密封圈性能也不同，是典型的非線性材料，因此，開展O 形密封圈密封性能評(píng)估一直是仿真分析的難點(diǎn)。對(duì)于O 形密封圈密封性能評(píng)估，目前公認(rèn)的理論判據(jù)是最大接觸壓力必須大于密封壓力，才能保證不泄漏[1-3]。眾多學(xué)者基于該理論借助有限元分析軟件開展了大量仿真分析工作[4-13]，并對(duì)O形密封圈密封性能影響的關(guān)鍵要素進(jìn)行探討[14-15]。但上述研究普遍存在以下局限性：（1）仿真的密封結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)單一密封形式的O 形密封圈的密封性能[1-16]的研究較多，而對(duì)更復(fù)雜的組合式密封的仿真研究極少開展；（2）對(duì)靜密封性能的研究較多，而對(duì)動(dòng)密封性能的研究[16]較少；（3）仿真結(jié)果缺乏驗(yàn)證[1-17]。

本文在消化上述研究基礎(chǔ)上，以某型格來圈組合密封形式的漏油故障為分析對(duì)象，摸索出組合式密封的動(dòng)密封性能仿真流程，并對(duì)仿真結(jié)果可信度進(jìn)行間接驗(yàn)證。

1 仿真分析流程

1.1 故障背景

某型號(hào)產(chǎn)品導(dǎo)葉作動(dòng)筒發(fā)生了漏油故障，初始不漏油，但在作動(dòng)筒一段時(shí)間后（約1350 h）發(fā)生漏油故障，初步分析是密封性能下降所引起的，該O 形密封圈材料為FS6265 氟硅橡膠，將其更換為FX-2 氟橡膠后，漏油現(xiàn)象消失。經(jīng)過故障樹分析，不能排除密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、O 形密封圈選材不當(dāng)?shù)仍?，為了進(jìn)一步分析具體故障原因，利用仿真手段開展相關(guān)的密封性能研究工作。

密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖中可見，中間為活塞桿，最外面的零件為銅套，在銅套密封槽里裝配O 形密封圈與聚四氟乙烯材料的保護(hù)圈，即格來圈密封結(jié)構(gòu)，其為組合式密封結(jié)構(gòu)，優(yōu)于單一O 形密封圈形式的密封，對(duì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)形式也適用。

仿真分析過程是典型的非線性分析過程，涉及結(jié)構(gòu)非線性、接觸非線性、材料非線性，分析過程中不易收斂。

圖1 密封結(jié)構(gòu)

1.2 引入泄漏判據(jù)

在光潔密封接觸時(shí)，如果接觸壓力大于密封油壓，則2 個(gè)接觸面不分離，被密封的油液將無法沖破接觸面而發(fā)生滲漏，與密封油壓相比，接觸壓力越大，密封效果越好[1-2]，基于該原理將密封效果評(píng)估方式轉(zhuǎn)化為接觸壓力的量化進(jìn)行分析。

1.3 簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型

通過對(duì)密封結(jié)構(gòu)的分析建立簡(jiǎn)化模型，將3 維模型回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)化成2 維軸對(duì)稱模型后，開展仿真[3-17]，降低網(wǎng)格數(shù)量，既滿足仿真基本精度，又降低運(yùn)算量，簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的2 維軸對(duì)稱網(wǎng)格模型

1.4 引入流體壓力滲透法

為兼顧求解精度和較低的求解計(jì)算量，而引入流體壓力滲透法[17]，該方法專門用于分析密封結(jié)構(gòu)中接觸面分離過程，具體原理如下：

為了模擬流體穿過兩相互接觸的表面，通過定義活塞桿-保護(hù)圈接觸對(duì)（簡(jiǎn)稱為①②接觸對(duì)）、保護(hù)圈-O 形密封圈接觸對(duì)（簡(jiǎn)稱為②③接觸對(duì)）、O 形密封圈-密封槽底接觸對(duì)（簡(jiǎn)稱為③④接觸對(duì)），分析是否存在泄漏現(xiàn)象。根據(jù)流體壓力滲透原理（如圖3 所示），指定1 個(gè)起始點(diǎn)，該起始點(diǎn)完全暴露于流體中，流體來流壓力將沿著起始點(diǎn)向接觸面加載，并且壓力加載的方向垂直于單元面，直到到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)此節(jié)點(diǎn)的接觸壓力大于流體壓力時(shí)，停止加載。當(dāng)節(jié)點(diǎn)102 的接觸壓力小于流體壓力，流體將繼續(xù)向前加載；反之如果節(jié)點(diǎn)102 的接觸壓力大于流體壓力，流體到達(dá)該節(jié)點(diǎn)將停止向前加載。利用此方式能動(dòng)態(tài)找到臨界點(diǎn)，最終得到更客觀的計(jì)算結(jié)果。

圖3 流體壓力滲透法原理

1.5 創(chuàng)建材料模型

分析對(duì)象O 形膠料牌號(hào)分別為FS6265 氟硅橡膠、FX-2 氟橡膠，為保證O 形密封圈的材料模型真實(shí)可靠，對(duì)2 種膠料的O 形密封圈進(jìn)行專門試驗(yàn)獲得相關(guān)性能參數(shù)，并通過Yeoh 橡膠數(shù)學(xué)模型擬合得到材料特性曲線，確保材料模型的完備性。

1.6 明確邊界條件

邊界條件歸納為以下幾種：

（1）密封油壓不同，分別為3.93、7 MPa，其中7 MPa 油壓為極限工況；

（2）溫度不同，分別為常溫23 ℃和高溫70 ℃；

（3）O 形密封圈膠料牌號(hào)分別為氟硅橡膠FS6265和氟橡膠FX-2；

（4）活塞桿有偏載和無偏載。

偏載故障指活塞桿尾部有時(shí)會(huì)受到徑向力載荷，在該載荷作用下，活塞桿相對(duì)銅套產(chǎn)生輕微徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起①②接觸對(duì)之間的間隙變化[15]，經(jīng)計(jì)算偏載導(dǎo)致的間隙將增大至0.054 mm。

1.7 優(yōu)化載荷加載

為促進(jìn)仿真求解過程收斂，模擬O 形密封圈裝配及密封油液充填過程引起的格來圈結(jié)構(gòu)變化，將仿真過程分為3 階段。第1 階段是活塞桿推入銅套中，擠壓“②③”接觸對(duì)組合密封結(jié)構(gòu)；第2 階段是O 形密封圈回彈擠壓保護(hù)圈，使保護(hù)圈與活塞桿之間貼合；第3 階段是密封油液充填（通過①④之間的間隙從右至左方向流入），液壓力作用在O 形密封圈和保護(hù)圈上使二者發(fā)生變形，同時(shí)活塞桿沿軸來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與保護(hù)圈發(fā)生摩擦，該階段在密封油液充填后再設(shè)置活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬動(dòng)密封過程。在ANSYS WORKBENCH 中，設(shè)置多個(gè)Step，逐步加載。求解結(jié)果顯示了各接觸面的變化，某工況下Equivalent Elastic Strain 結(jié)果如圖4所示。從圖中可見O 形密封圈、保護(hù)圈受密封油壓綜合作用發(fā)生明顯變形[13]。

圖4 某工況Equivalent Elastic Strain 結(jié)果

2 仿真結(jié)果

2.1 接觸壓力分析

各工況各接觸面的接觸壓力仿真結(jié)果見表1。

表1 各工況各接觸面的接觸壓力仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可見：

（2）在相同工況下氟橡膠接觸壓力大于氟硅橡膠的；

（3）同種材料隨著溫度升高接觸壓力會(huì)降低[16]；

（4）各工況接觸壓力均大于密封油壓，但①②接觸對(duì)被密封油液滲透程度較嚴(yán)重，屬于相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)；

（5）偏載導(dǎo)致各工況各接觸面接觸壓力降低[15]，且對(duì)①②接觸對(duì)影響最大。

2.2 ①②接觸對(duì)沿程接觸壓力分析

由于①②接觸對(duì)是密封相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，為量化分析密封油液在其中的滲透程度，根據(jù)圖3 流體壓力滲透法原理，當(dāng)接觸壓力小于流體滲透壓力時(shí)，2 個(gè)接觸面分離，通過分析接觸壓力大小可以得到2 個(gè)接觸面接觸情況，引入沿程接觸壓力分析[9-10]。定義①②接觸對(duì)之間的密封路徑（path），如圖5 所示，點(diǎn)1 和點(diǎn)2 之間總長(zhǎng)度為2.5 mm。

2 種膠料密封圈在3.93 MPa 密封油壓作用下的接觸壓力分布如圖6、7 所示。從圖6 中可見，在有偏載影響（0.054 mm）的接觸應(yīng)力分布中，氟硅橡膠阻隔泄漏的尚未分離接觸面長(zhǎng)約0.4 mm，占保護(hù)圈寬度的16%，而氟橡膠長(zhǎng)約0.8mm，占保護(hù)圈寬度的32%。從圖7 中可見，在無偏載時(shí)相同位置處的接觸應(yīng)力分布中，接觸面長(zhǎng)分別為0.5、和1.0 mm，分別占保護(hù)圈寬度的20%和40%，2 種情況下氟橡膠接觸壓力分布均呈“山峰”形狀，而氟硅橡膠均呈“半山峰”形狀，二者密封效果顯然不同。接觸應(yīng)力小于密封油壓的位置表明該處接觸面已經(jīng)分離，處于油液滲透狀態(tài)。

圖5 接觸面密封路徑（path）定義

圖6 有偏載密封路徑接觸壓力分布

圖7 無偏載密封路徑接觸壓力分布

（1）偏載會(huì)降低密封效果，縮短阻隔泄漏尚未分離的接觸面長(zhǎng)度；

（2）①②接觸對(duì)被密封油液滲透長(zhǎng)度超過保護(hù)圈寬度的50%以上。

新工廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)遵循陶氏世界級(jí)的環(huán)境、健康、安全標(biāo)準(zhǔn)，將使陶氏具備更強(qiáng)的能力應(yīng)對(duì)全球有機(jī)硅市場(chǎng)供需失衡的問題，為客戶提供更好的需求保障，幫助客戶成長(zhǎng)并取得成功，特別是在充滿活力的亞太區(qū)市場(chǎng)。

3 基于Archard 理論磨損量分析與驗(yàn)證

基于相關(guān)仿真結(jié)果開展直接試驗(yàn)驗(yàn)證十分困難，因此，只能以間接驗(yàn)證的方式入手，其基本原理是將仿真結(jié)果中得到的接觸壓力代入磨損計(jì)算式（1）中計(jì)算磨損量，對(duì)比實(shí)際磨損量，如果二者誤差不大，即可表明仿真得到的接觸壓力結(jié)果可信。

根據(jù)Archard 理論，2 個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦的物體，摩擦產(chǎn)生的體積損失與滑動(dòng)距離、載荷、材料硬度的相關(guān)性為

式中：W 為磨損體積，m3；S 為滑動(dòng)距離，m，其中取控制桿總長(zhǎng)為43.2 mm；P 為載荷，Pa，對(duì)應(yīng)接觸面的接觸壓力，由仿真得到；Pm為材料布氏硬度，在本故障中桿的硬度約為HB300；K 為磨損系數(shù)（與摩擦系數(shù)成一定正比關(guān)系），用于衡量2 個(gè)接觸對(duì)之間相互磨損程度，查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，未找到“聚四氟乙烯-鋁合金硬質(zhì)陽極化”摩擦副的磨損系數(shù)，但通過類似摩擦副對(duì)比，可以確定該系數(shù)的數(shù)量級(jí)約為10～18，本參數(shù)是無量綱量。

從定性上分析，根據(jù)式（1）可知磨損系數(shù)K 受接觸面的接觸壓力影響最大（接觸應(yīng)力越大磨損越嚴(yán)重），這是因?yàn)椴牧嫌捕?、滑?dòng)距離受環(huán)境因素影響相對(duì)較小，而接觸壓力根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可以推斷磨損系數(shù)K 與溫度成反比，說明故障中溫度越高，磨損情況反而得到改善。

選取表1 序號(hào)3 有偏載載荷接觸壓力結(jié)果為載荷P（該工況與實(shí)際工作環(huán)境最接近），即取P=11.345 MPa，根據(jù)式（1），活塞桿拉動(dòng)距離為43.2 mm 時(shí)的磨損量為

活塞桿每運(yùn)動(dòng)43.2 mm，硬質(zhì)陽極化膜層厚度將降低，令Δh 為硬質(zhì)陽極化層膜層磨損厚度變化值，則有

另根據(jù)載荷譜估算，活塞桿每小時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離約為總長(zhǎng)度的12 倍，令Δh0為每小時(shí)累計(jì)磨損厚度，則有

以故障產(chǎn)品的活塞桿為例，工作1350 h 后經(jīng)過計(jì)量，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)陽極化膜層磨掉了直徑變化范圍為5～16 μm，考慮偏載極限工況，單邊磨掉按最大16 μm 計(jì)算，磨損時(shí)間為

以磨損量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，間接證明了仿真分析得到的接觸壓力的真實(shí)性，其具備一定的可信度。

4 總結(jié)

本文以某漏油故障為例，介紹了格來圈結(jié)構(gòu)O形密封圈動(dòng)密封性仿真流程與方法，引入流體壓力滲透法，通過分析接觸壓力判斷密封接觸面是否泄漏，并采用Archard 理論驗(yàn)證，表明流體壓力滲透法在此類仿真中應(yīng)用效果較好，誤差約為14.8%。

針對(duì)漏油故障，依據(jù)仿真結(jié)果和Archard 原理，在相同條件下的氟橡膠相對(duì)氟硅橡膠在列舉的溫度工況下有更好的密封性能，其較高的接觸壓力阻礙了流體的滲透。但提高密封性能要與實(shí)際工況相結(jié)合[16]，只有選擇合適的接觸壓力才能既保證密封性能又兼顧磨損壽命。

另外提高接觸面的光潔度，降低摩擦系數(shù)，從而達(dá)到降低磨損系數(shù)，延緩磨損惡化程度、顯著改善動(dòng)密封性能的目的。